广西测震台网监测能力计算与分析

牟剑英，向 巍，孙学军，文 翔，李 莎

（广西壮族自治区地震局, 南宁 530022）

0 引言

台网监测能力指台网监测本地微小地震并能够进行定位的能力，衡量着该区域地震台网的监控范围和监测精度。“十五”期间，广西新建和改扩建了22个省级数字测震台站，全面实现了台网的数字化、网络化观测。随着区域测震台站的不断新建改造，特别是广西“十一五”、“十二五”防震减灾重点项目的建设，广西测震台站数量较2010年有了大幅度的增长，加之扩增与邻省周边台站的共享，广西地震监测能力得到大幅提升。

地震台网监测能力的大小主要取决于台基、观测系统的响应灵敏度、仪器的动态范围、台网密度及台网的合理布局等因素[1]。本文按地方性震级公式，就台网布局密度、台基背景地脉动噪声及最小震级指定震中距方法估算出台网可监测到的最小震级，并采用基于地震目录和统计地震学最小完整性震级计算方法进行验证，为科学评估台网效能、满足监测预报业务需求提供技术性依据。

1 台网概况

广西测震台网依托“十五”国家重点项目中国数字地震观测网络工程广西分项项目，新建和改扩建了广西22个省级数字测震台站，全面实现台网的数字化和网络化观测。自2010年起，广西数字测震台网实现了与南宁、柳州地方台网的联网，并陆续通过中国地震背景场探测项目广西分项、市县防震减灾基础建设项目和广西防震减灾“十二五”重点项目，不断加密地震监测站点，进一步优化台网布局。目前，已在全区范围内建成运行114个测震台站（含基准站），其中国家级台站5个、省级直属台站23个、省级区域台站47个、企业台站39个。为提高与邻省交界地区的地震监测能力，共享周边邻省43个测震台站，其中共享广东省9个、海南省7个、湖南省4个、云南省11个、贵州省12个。2019年11月25日广西百色市靖西市发生5.2级地震后，共享了中国援建老挝的12个测震台站。按照“均匀分布、重点监视”的台网布局原则，广西测震台站大体均匀分布在广西区域范围内，高密度集中在广西红水河流域龙滩、岩滩、大化、大藤峡水利枢纽等大中型水库区域和河池南丹大厂、来宾合山等矿山区域。广西及邻区共享测震台站分布情况见图1。

图1 广西及邻区共享测震台站分布图

目前，广西区域用于地震速报和地震编目的台站数共90个，其中区内台站66个，较当前区内实际在运行数114个少了48个。这48个台站主要为地方企业台网台站和新建成基准站，基于管理和试运行问题，这些台站目前还未纳入到地震编目台站中。当前用于地震速报和地震编目台站自2015年至今变化不大。

台站观测仪器选型配置中，桂林、凭祥、德保国家级台站配置了CTS-1E甚宽频地震计，河池、灵山国家级台站则配置了GL-CS120甚宽频地震计；省级直属台站主要采用CMG-3EPSC宽频带地震计，昭平、斜阳岛、全州、龙胜台采用BBVS-60地震计，平果和融安台则采用GL-S60地震计；凤山、博白、陆川、西林、那坡、灵山、兴安、天等、靖西、钟山、乐业等“十一五”期间新建省级区域台站选用BBVS-60型宽频带地震计，“十二五”期间新建或改造的省级区域台站则选用CMG-3EPSC-120甚宽频地震计；地方企业台站则根据微震监测选用FSS-3M或GL-CS短周期地震计。数据采集器均采用北京港震公司生产的EDAS-24IP或24GN数采。

2 台网地震监测能力

2.1 计算原理

地震监测能力表征着台网监测地震事件的能力，由地震事件的震级大小决定。而测震台站能监测微小地震的能力与台站的台基噪声水平有关，同时受一定震中距的影响。测震台站最小监控震级与监控范围，主要通过振幅比，用量规函数反推单台控制距离，并以4个及以上台站共同控制的区域来估算台网的监测范围。根据地方性震级公式：

式中：A为地动位移，为两水平方向最大地动位移的算数平均值，单位采用μm；R(Δ)为量规函数，即震级起算函数，S(Δ)为台基校正值，S一般取0。

由于测震台站设备为速度型地震计，故需将近震级公式加以变形。

式中：V为最大速度振幅值；T为对应最大速度振幅的周期值，在1～20 Hz频带范围内，S波速度振幅换算为位移振幅时，取S波的优势频率为3～5 Hz，由于区域台网主要涉及近震，所以最大速度对应周期为0.2 s，即T取0.2 s[2]。

由于现今测震台网主要依赖地震波初动震相到时进行地震定位，故地震波的初动震相信噪比相比于地震波最大振幅信噪比更为重要，高信噪比的背景地动噪声对地震监测能力的提升起着重要的作用。用短、长均值比（STA/LTA）方法对台基背景噪声值进行变化跟踪，一般情况下，STA值大于LTA值的2.5～3倍。如P波初动幅度较背景地动噪声大2.5～3倍时，可视P波初动清晰，而S波振幅大约为P波振幅的3倍时，可视S波震相清晰[3]。因此，本文将取S波速度振幅较地脉动噪声值6倍进行计算。依据测震台站台基背景地动噪声值，确定可观测最小地震事件的振幅值。

因广西数字化网络化地震观测后，一直没有对广西地区震级量规函数做进一步的计算和验证，在本文计算中参照采用刘瑞丰在近震震级测定短周期的量规函数R1(Δ)[4]。

2.2 台基噪声计算和获取

按照《地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》（GB/T 19531.1—2004）规定要求，将1～20 Hz频带确定为台基噪声有效值频带范围，同时将1/3倍频带滤波器在1～20 Hz观测频带范围内由功率谱密度来计算地动噪声水平RMS值，并根据测震台站环境地动噪声水平Enl来衡量一个台站的等级水平。

对广西区域已建成入网的114个测震台（含基准站）进行地脉动背景噪声计算，数据选用台站晚上安静且连续6个小时没有地震事件干扰波形段，采用童汪练研究员研制开发的噪声计算软件Cal-20210525C进行计算。对未纳入地震速报 的22个台站则通过台站勘选报告的台基测试噪声值获取；对邻省共享的43个台站则通过邻省2020年测震台网运行年报获取。12个老挝援建境外台采用Ⅱ类台基5.0×10−8均值代替。

经计算，广西136个测震台站（含基准站）台基背景地动噪声水平等级主要为Ⅰ类、Ⅱ类台基；Ⅲ类台站主要有南宁台、钦州台、涠洲岛台、斜阳岛台、玉林台、岩滩台、龙胜台、陆川台、环江洛阳基准站、大树脚台、拉么台和田角村台；Ⅵ类台基的有贵港台、天等台、百合台、田东平马基准站。超出建台标准台基背景噪声值的陆川温泉基准站以深井建设观测，地表噪声值不影响其具备Ⅱ类及以上台基噪声的有效监测。台基噪声也并非一成不变的，不同时段的选取对结果略有影响，台基类型的变化在一定程度上反映着台站环境受干扰程度。

2.3 监测能力计算

采用空间逐点扫描方法，对空间点有4个以上台站进行共同控制，则台网对该点具有监测能力，对该点所监测到的最小震级即为该点的监测能力值。按0.2°间隔计算，得到当前广西数字测震台网地震监测能力如图2所示，未纳入地震速报的22个基准站加入后的台网监测能力见图3。

图2 广西数字测震台网监测能力图（169个台站）

3 地震监测能力分析

通过近10年来的台站建设，现阶段全区地震监测能力基本达到ML1.4。较2010年台网监测能力ML2.4[4]有了大幅度的提升，且局部台站密集地区的监测能力如大厂矿区可达到0级以上，龙滩、岩滩库区达到ML0.5，合山矿区达到ML0.4，大化库区达到ML0.8，大藤峡库区达到ML0.6等（图2）。将“十二五”重点项目实施完成台站纳入地震速报工作后广西地震监测能力将达到ML1.2，红水河流域带的监测能力甚至可达到ML0.8（图3）。

图3 广西测震台网监测能力图（191个台站）

那坡、田林、西林台，八步信都、富川麦岭、钟山、岑溪、昭平、陆川、博白台，龙胜台、全州、兴安台分别加密了广西与云南、湖南、广东等邻省交界区域的监控，使得与邻省交界50 km范围内，云南达ML1.4，湖南达ML1.6，广东高州、阳江、信宜交界处达ML1.4。靖西、龙州、德保台加密了与越南交界的监控，使得与越南交界100 km范围的监测能力可达ML2.0。广西近海区域地震监测能力可达ML1.6，而北部湾区域达ML2.0。与贵州交界的监测能力达ML1.2，主要为龙滩水库高密度地震监测台网的布设和贵州共享台站大部分为I类台基所致。

4 最小完整性震级MC验证

所谓最小完整性震级MC是指监测能力覆盖时空范围内100%的地震事件可被检测到的最低震级，是基于现实地震目录和统计地震学方法。最小完整性震级方法较通过台站台基噪声值反推震中距最小震级方法更能真实反映台网实际监测能力。最小完整性震级最初主要根据震级-频度分布满足古登堡—里克特G-R关系，拟合线性关系中最好一段的最小震级作为最小完整性震级。近年来，最小完整性震级发展了一些新方法，如震级-序号法、最大曲率法（MAXC）、拟合度为90%和95%的拟合优度法（GFT）和完整性震级范围法（EMR）等多方法综合应用于甘肃、辽宁、陕西、新疆等区域的地震监测能力时空变化分析中[5-7]。

本文采用完整性震级范围法（EMR）对广西最小完整性震级MC进行计算，地震目录选用广西地震编目库2008—2020年广西及邻区地震目录。ML0.0以上地震11 637次，其中：0.0～0.9级5 237次、1.0～1.9级4 574次、2.0～2.9级1 639次、3.0～3.9级165次、4.0～4.9级19次、5.0～5.9级3次，地震目录没有剔除余震序列。采用EMR方法估算MC值，对震级高于MC的采用幂律分布，使用最大似然法估计a值和b值；对于震级小于MC的，采用正态累积分布函数q(M|µ,σ)来描述震级M函数的检测能力，q(M|µ,σ)表示对某一震级下检测一次地震的概率[8]。计算公式为：

式中：µ是表示50%的地震被记录到时对应的震级；σ为响应的标准差。当M≥MC时，检测概率为1。对MC的不确定度ΔMC采用bootstrap方法的蒙特卡洛随机模拟估算，通过计算得到最小完整性震级MC为ML1.7（图4）。

图4 广西及邻区地震目录最小完整性震级MC

采用0.2°×0.2°的空间网格，并以每个格点为圆心采用EMR方法进行空间扫描。扫描最小半径为30 km，最大半径为100 km；地震事件数目下限为50次；ΔMC的bootstrap重采样次数设定为200次。根据EMR方法计算获得结果数据值，设置MC误差阈值为0.6级，经绘制得到区域监测能力图，发现最小完整性震级的空间扫描结果明显受区域地震序列影响。如龙滩库区和平果、上林、忻城一带震级变化梯度密值小，在ML0.6～1.6间，主要为龙滩库区、平果果化、忻城红渡区域小地震活动频繁造成；而桂东、桂东北区域监控震级在ML1.6～2.0间，震级变化梯度不大，主要为该区域地震少原因造成（图5a）。

图5 EMR方法与地噪声推算监测能力对比图（90个台站）

选用区域用于地震速报和地震编目的90个地震台站，通过台站台基噪声值反推震中距最小震级获得区域最小监测能力为ML1.6，空间分布上在龙滩库区监测能力高，柳州至贺州一带监测能力较弱，明显与台站分布密度有关（图5b）。90个台站台基噪声值反推震中距获得的区域监测能力值，相比区域最小完整性震级MC值计算得到的ML1.7相差了0.1级，很好地相互验证了结果的可信度；相比区域114个台站所计算获得的ML1.4相差了0.2级。实际地震监测中，0.1级和0.2级震级档的差异对区域台网地震监测拾取影响非常大，因此数据的同平台接入和数据的严格管理，对台网的地震监测效能发挥着强有力的保障作用。同时也基于这2个差异值，为科学有效评估台网可以达到和实际实现的监测能力提供了很好的评价依据。

5 小结

“十五”项目建设实施，广西测震台网实现了网络化、数字化的观测。2011年起，经“十一五”、“十二五”防震减灾基础项目建设，广西测震站网布局不断完善优化。测震台站数量发展到当前的114个，并通过共享周边邻省台站43个、老挝12个，进一步提升了广西区域及邻省交界处的地震监测能力。全区可监测震级下限由2010年的ML2.4[9]提升到当前的ML1.4，邻省交界区域监测能力达到ML1.6，广西近海50 km范围内达ML1.5，小区域密集台站处的监测能力可达到ML0.5。待“十二五”项目建设的测震台站纳入地震速报工作后，广西地震监测能力将达到ML1.2，桂西北、桂中地区的地震监测能力达到ML1.0，红水河流域带甚至可达到ML0.8。

基于现实地震目录和统计地震学方法，采用最小完整性震级（EMR）方法计算得到广西最小完整性震级MC为ML1.7。在同等台站条件下，用于地震速报和地震编目的90个地震台站计算得到的监测能力值ML1.6较MC值相差了0.1级，较114个台站所计算监测能力值ML1.4相差了0.2级，这两个差异数值为科学有效评估台网可以达到和实际实现的监测能力提供了很好的评价依据。

随着城市经济社会的不断发展，大中城市的人口密度越来越大，进一步降低震级监测能力下限，可实现地震速报的“有感必有报”和“又快又准”，提高捕获地震信息能力和重点区域微小地震识别能力，为快速准确判定滑坡、 塌陷、泥石流及爆炸等非天然事件的发生时间、地点、大致体量提供基础监测条件。不同台站数据差异对区域台网地震监测拾取影响非常大，因此数据的同平台接入和数据的严格管理，对台网的地震监测效能发挥着强有力的保障作用。

致谢在此感谢论文评审专家给出的宝贵建议，同时也感谢冯健刚老师给予最小完整性震级计算软件的支持，谢谢！